專利名稱：用于轉(zhuǎn)換電能的矩陣變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在一個電壓源，例如供電網(wǎng)，和一個電流源，如一臺電動機(jī)之間轉(zhuǎn)換電能的矩陣變換器。本發(fā)明特別適用于在鐵路領(lǐng)域控制牽引式電動機(jī)。
然而，在這種矩陣變換器中，雙向開關(guān)由二極管與集成柵雙極型晶體管(IGBT)元件結(jié)合構(gòu)成，這就使其不能耐高壓，因為大多數(shù)目前市場上可得到的魯棒(robust)IGBT元件的工作電壓被限制為大約6.5kV。此外，這樣的IGBT元件有一個缺點(diǎn)，即其控制柵必須與其集電極和發(fā)射極隔離開，當(dāng)IGBT元件的各端上的電壓高時，就會產(chǎn)生問題。
為此，本發(fā)明提供一種用于在至少一個電壓源，特別是一個供電網(wǎng)，和至少一個電流源，特別是一個負(fù)載之間轉(zhuǎn)換電能的矩陣變換器，所述變換器包括一個將上述電壓源和上述電流源相連的開關(guān)矩陣，所述矩陣變換器的特征在于，上述開關(guān)中的每一個都有兩個被置于各自單獨(dú)的平行平面上的端子，一個置于所述兩個端子之間的光電導(dǎo)金剛石襯底，每個開關(guān)都通過一個光源照射插在該開關(guān)的兩個端子之間的金剛石襯底來進(jìn)行控制。
在特定的實施例中，本發(fā)明的矩陣變換器可單獨(dú)或以任何技術(shù)上可行的組合具有下列一個或多個特征所述金剛石襯底通過一化學(xué)氣相沉積法(CVD)獲得；所述端子是利用連續(xù)氣相沉積鈦、鉑和金在金剛石襯底上金屬鍍覆形成的；所述光源是紫外光源；對于每一個開關(guān)，光源被置于面對開關(guān)的兩個端子中的一個，所述端子上有至少一個開口，使得所述光源的照射能從中通過，到達(dá)置于所述兩個端子之間的金剛石襯底；一個單個的金剛石襯底被置于所述開關(guān)矩陣的所有端子之間；變換器的每一個開關(guān)由一個單個的金剛石襯底形成，該金剛石襯底由一陶瓷基底支撐，所述單個的金剛石襯底通過一層玻璃與所述支撐陶瓷基底接合；各開關(guān)有一個端子通過置于所述陶瓷基底的一個面上的導(dǎo)體導(dǎo)軌(conductor tracks)與一電壓源相連，一個端子通過由所述陶瓷基底的相反面承載的導(dǎo)體導(dǎo)軌與一電流源相連。
參照附圖閱讀對下列兩個以非限制性示例形式給出的實施例的描述，將會更好地理解本發(fā)明的目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
為了清楚起見，僅示出了有助于理解本發(fā)明的那些部件。在附圖中，相同的部件使用相同的參考號。為進(jìn)一步清楚起見，變換器的某些部件只給出了細(xì)節(jié)。
發(fā)明詳細(xì)描述

圖1示出了本發(fā)明矩陣變換器的一個特定實施例。該矩陣變換器有三個輸入連接線1和三個輸出連接線2，輸入連接線1，例如將由一個三相電網(wǎng)供電，而輸出連接線2，例如將向一臺異步電動機(jī)供能。
如圖所示，矩陣變換器包括一個由塑料材料制成的，邊長為150毫米(mm)，基本上是方形的基底3，其中央有一個孔，穿通基底3的兩個面，并接受一個光電導(dǎo)金剛石襯底4。金剛石襯底4利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)通過已知方法制造。
金剛石襯底4有一個上表面與三個輸入連接線1接觸，所述連接線由平行設(shè)置的相應(yīng)的導(dǎo)體棒構(gòu)成。每一個輸入連接線1的形狀通常是面對金剛石襯底的直線形，其上有三個環(huán)形部分1a，以至三個輸入連接線的環(huán)形部分1a被排列成3×3的矩陣。
如圖2所示(圖2中僅示出了輸入連接線1，輸出連接線2和金剛石襯底4)，金剛石襯底4的底面與三個輸出連接線22接觸，連接線2由三個平行設(shè)置的、與三個輸入連接線1垂直的相應(yīng)的導(dǎo)體棒構(gòu)成。每一個輸入連接線2的形狀通常是面對金剛石襯底的直線形，其上有三個圓盤突出部分9，以使圓盤9與置于金剛石襯底4(在圖2中以電劃線表示)相反一面上的輸入連接線1的相應(yīng)環(huán)形1a對齊。
圖3和圖4更詳細(xì)地示出了裝備矩陣變換器的金剛石開關(guān)6的構(gòu)造。如這些圖中所示，每個環(huán)形部分1a的中央具有一開口，在開口上，蓋有一金屬鍍覆的端子5(僅在這些圖中示出)。金屬鍍覆的端子5通過接合在鄰近環(huán)形部分1a上的鋁線21與輸入連接線1電氣連接，端子5和在金剛石襯底4反面的圓盤9相互對齊，形成金剛石開關(guān)6的兩個端子。
例如金屬鍍覆的端子5可以通過包括下列步驟的金屬鍍覆方法在金剛石襯底4上獲得在金剛石襯底的上表面上沉積光敏樹脂；在要進(jìn)行金屬鍍覆的區(qū)域，通過一掩膜將上述樹脂暴露在光照之下而除去樹脂；在部分由樹脂覆蓋的金剛石襯底的表面上，利用連續(xù)氣相沉積鈦、鉑和金進(jìn)行金屬鍍覆；將金剛石襯底浸入丙酮中除去剩余的樹脂。
兩個端子5和9間的電傳導(dǎo)根據(jù)指令，通過接通置于面對端子5的紫外光源7而獲得，端子5具有多個未金屬鍍覆的槽5a，槽5a為環(huán)形弧狀，并使光源7的光照能通過它們，以便照射金剛石開關(guān)6的端子5和9之間的金剛石4的體積，從而，引起電在所述兩端子間傳導(dǎo)。光源7最好由圖1中點(diǎn)劃線所示的且安裝在腿8上的板22支撐，腿8由基底3的上表面承載，并且它們由構(gòu)成變換器的控制電路的控制電路分別獨(dú)立控制。
這種矩陣變換器提供這樣的優(yōu)點(diǎn)，即具有能耐其端子上高電壓的金剛石開關(guān)，并且該開關(guān)能自然地使電能通過變換器在兩個方向中的任意一個方向流動。此外，這樣的變換器通過光學(xué)控制金剛石開關(guān)來進(jìn)行控制，這種控制使其能自然地與開關(guān)端子上的電位隔離。最后，由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過光控模塊化，該矩陣變換器使任何變換成為可能，例如單相或三相直接AC-AC變換，AC-DC變換，或當(dāng)與一DC電源相連時，DC-DC變換。
圖5至圖8示出了本發(fā)明變換器的一個變化的實施例，相應(yīng)于一個優(yōu)選實施例。如圖5和圖6所示，矩陣變換器包括一由氮化鋁(AlN)構(gòu)成的陶瓷基底13，其上有9個以3×3矩陣形式分布的環(huán)形洞，每個洞都在陶瓷基底13的各面張開，并接收柱狀金剛石襯底14，其直徑約10毫米，周圍被玻璃區(qū)域20包圍。
玻璃區(qū)域20可以充有陶瓷，形成金剛石襯底14與陶瓷基底13的界面，其優(yōu)點(diǎn)是膨脹系數(shù)a接近3.5，使其能衰減由于金剛石(a＝1)和AlN基底(a＝4.5)之間不同的膨脹引起的力。
如圖5所示，陶瓷基底13的上表面有三個輸入連接線1從陶瓷基底13的一個邊緣突出，并且由平行設(shè)置的各自的導(dǎo)體導(dǎo)軌11延伸，每一導(dǎo)軌11與金剛石襯底14的3×3矩陣的一行對準(zhǔn)。每個導(dǎo)體導(dǎo)軌11包括三個圓環(huán)形部分11a，沿三個金剛石襯底14的相應(yīng)一個的周邊延伸，與輸入連接線1對準(zhǔn)。
如圖6所示，陶瓷基底13的底面上有三個輸出連接線2，與輸入連接線1成垂直角度設(shè)置，并從陶瓷基底13的一個邊緣向外突出。三個輸出連接線2在陶瓷基底13通過各自的導(dǎo)體軌道12相互平行延伸布置，每個軌道12與構(gòu)成金剛石襯底14的3×3矩陣的一列對準(zhǔn)。輸出連接線2的每一個導(dǎo)體軌道包括三個圓形部分12a，沿三個金剛石襯底14的相應(yīng)一個的周邊延伸，與輸入連接線2對準(zhǔn)。
如圖7和圖8所示，每一個金剛石襯底14有一個上表面和一個底面，分別基本上被金屬鍍覆的端子15和19所覆蓋，上端子15和下端子19(僅在這些圖中示出)構(gòu)成金剛石開關(guān)的兩個端子。例如這樣的金屬鍍覆的端子15和19可以通過包括下列步驟的金屬鍍覆法在金剛石襯底14上得到在金剛石襯底的上表面上沉積光敏樹脂；在要進(jìn)行金屬鍍覆的區(qū)域，通過一掩膜將上述樹脂暴露在光照之下而除去樹脂；在部分由樹脂覆蓋的金剛石襯底的表面上，利用連續(xù)氣相沉積鈦、鉑和金進(jìn)行金屬鍍覆；將金剛石襯底浸入丙酮中除去剩余的樹脂。
金剛石襯底14的上端子15經(jīng)一鋁線21與置于金剛石襯底14的周邊的導(dǎo)體軌道11的圓形部分11a相連，金剛石襯底14的下端子19經(jīng)一鋁線21(圖7中以點(diǎn)劃線示出)與置于金剛石襯底14的周邊的導(dǎo)體軌道12的圓形部分12a相連。
參見圖7，金剛石襯底14的上端子15的中心提供有多個未金屬鍍覆的槽15a，槽15a為環(huán)形弧狀，并使置于面對金剛石襯底14的光源7的紫外輻射光照能通過它們，以便照射上端子15和下端子19之間的金剛石襯底14的體積，從而，引起電在所述兩端子間傳導(dǎo)。光源7最好由安裝在腿8上的板22(圖中未示出)支撐，腿8由基底13的上表面承載，并且它們由構(gòu)成變換器的控制電路的控制電路分別獨(dú)立控制。
這樣一種變化的實施例的優(yōu)點(diǎn)是，與圖1的實施例相比，需要一個比較小的金剛石襯底區(qū)域，從而使降低制造這樣的變換器的成本成為可能。
不考慮本發(fā)明的實施例的變化，金剛石襯底(例如由CVD方法制成)的厚度可與變換器的工作電壓適應(yīng)，可以是，例如從50μm到200μm，50μm用于耐金剛石襯底兩個表面間約5kV的電壓，而200μm用于耐約20kV的電壓。
本發(fā)明的變換器可用于控制使用懸鏈電壓(catenary voltage)的軌道車輛的牽引電動機(jī)，其模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其能僅僅通過修改金剛石開關(guān)的控制而適應(yīng)不同類型的懸鏈電壓。
顯然，本發(fā)明并未限制于所示的實施例，這些實施例僅僅是例子。在不脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改，特別是有關(guān)各種部件的構(gòu)造，或使用等同的替代技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于在至少一個電壓源(1)，特別是一個供電網(wǎng)，和至少一個電流源(2)，特別是一個負(fù)載之間轉(zhuǎn)換電能的矩陣變換器，該變換器包括一個開關(guān)(6；16)矩陣，將上述電壓源(1)與電流源(2)相連，所述矩陣變換器的特征在于每個所述開關(guān)(6；16)有兩個置于各自獨(dú)立的平行平面上的端子(5、9；15、19)，和一個置于所述開關(guān)(6，16)的兩個端子(5、9；15、19)之間的光電導(dǎo)金剛石襯底，每個開關(guān)(6，16)通過一個光源(7)照射置于開關(guān)(6、16)的兩個端子(5、9；15、19)間的金剛石襯底(4、14)來控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的矩陣變換器，其特征在于所述金剛石襯底(4、14)由一化學(xué)氣相沉積方法獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的矩陣變換器，其特征在于所述端子(5，19)通過連續(xù)氣相沉積鈦、鉑和金來金屬鍍覆所述金剛石襯底而形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一個的矩陣變換器，其特征在于所述光源(7)是一個紫外線光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一個的矩陣變換器，其特征在于對于每一個開關(guān)(6，16)，光源(7)被置于面對開關(guān)的兩個端子(5、9；15、19)之一，所述端子(5，15)至少有一個開口(5a，15a)，使所述光源(7)的光照能通過置于兩個端子(5、9；15、19)之間的金剛石襯底(4，14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個的矩陣變換器，其特征在于一個單個的金剛石襯底(4)被置于開關(guān)(6)矩陣的所有端子(5，9)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任何一個的矩陣變換器，其特征在于變換器的各開關(guān)(16)由一單個的金剛石襯底(14)形成，該金剛石襯底由一陶瓷基底(13)支撐，所述單個金剛石襯底(14)通過一層玻璃(20)與支撐陶瓷基底相接合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的矩陣變換器，其特征在于每個開關(guān)(16)有一個端子(15)通過置于陶瓷基底(13)的一個表面上的導(dǎo)體導(dǎo)軌(11)與一電壓源(1)相連，一個端子(19)通過由陶瓷基底(13)反面承載的導(dǎo)體導(dǎo)軌(12)與一電流源(2)相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的矩陣變換器，其特征在于所述陶瓷基底(13)由氮化鋁(AlN)構(gòu)成。
全文摘要
一種用于在至少一個電壓源(1)，特別是一個供電網(wǎng)，和至少一個電流源(2)，特別是一個負(fù)載之間轉(zhuǎn)換電能的矩陣變換器，該變換器包括一個開關(guān)矩陣，將上述電壓源(1)與電流源(2)相連，所述矩陣變換器的特征在于每個所述開關(guān)有兩個置于各自獨(dú)立的平行平面上的端子，和一個置于所述開關(guān)的兩個端子之間的光電導(dǎo)金剛石襯底，每個開關(guān)通過一個光源(7)照射置于開關(guān)的兩個端子間的金剛石襯底(4)來控制。
文檔編號H02M1/08GK1433129SQ03100348
公開日2003年7月30日 申請日期2003年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月17日
發(fā)明者E·迪塔爾特, C·伯耶爾, F·布雷, H·施奈德 申請人:阿爾斯通股份有限公司